电磁感应式无线充电系统核心技术
2022-06-27

  相较于其它电子科技发展,感应式充电的技术发展显的缓慢,几个关键技术问题直到近年才有解决方案,且解决方案还在不断的演进中。无线充电可通过许多方式去完成,以目前的技术中“电磁感应式”为已经量产且经过安全与市场验证的产品,在生产成本上电磁感应式技术的产品低于其它技术,有市场预测在接下来数年内,在消费类电子产品领域中该类产品将呈倍数成长。在本文中将探讨目前在电磁感应式无线充电系统中三大核心技术:谐振控制、高效能功率传输以及数据传输,以及它们面临的难题与现有的解决方法。

 谐振控制

  现今量产的IC制程已经进步到纳米层级,但量产电容、电感组件的规格却很难作到误差在百分之一以下,而在电磁感应式电力系统中的系利用两个线圈感应,而线圈即为电感,在线圈上需要搭配电容作为谐振匹配,这样的构造即同LC振荡装置,较为不同的是在这系统中的目的是为了要在线圈上传输功率,为了提高效率需要在电容、电感选用低阻抗零件使质量因子Q提高,在这样的设计下其谐振曲线的斜率变的非常的大,在量产中系统设计频率与电容、电感搭配变的非常困难,因为先前提到电容、电感存在相当的误差,在量产中这样的误差若是没有在系统中加入谐振控制修正误差因素,则成品良率难以控制。在电容、电感误差下会搭配出偏移原设计谐振点组合,导致发射功率与设计预定值有所偏差。参考图(一)所示,在电磁感应电力系统中发设端的线圈上讯号振幅大小即为输出功率的大小,在这个示意图中表示一组线圈与电容组合的谐振曲线;在曲线上横轴为操作的频率,在不同的工作频率下于线圈上有不同大小的振幅输出,而最大振幅的谐振电将出现在频率F=1/(2π√(LC))之上,在设计上并不会将系统设定在最高功率输出的谐振点上,而是会工作在比谐振点高一些的频率使输出功率维持在适当值,在系统中我们通常称这个频率为中心工作频率。在感应供电过程中可能会需要加大或降低输出功率,这时只要调整工作频率就可以完成。如图(一)所示,在需要加功率时需要降低些频率使其靠近谐振点,用以提高输出功率,反之要降低输出功率只要提高频率即可完成,在此将这个方式定义为变频式功率调整。

解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术

  图(一)变频式功率调整

  另外一个改变输出功率的方式为改变发射端上的驱动电压,参考图(二)所示,在同一线圈与电容的谐振组合中,当于驱动发射线圈上的开关电压大小即直接改变的输出功率的大小,在此将这个方式定义为变压式功率调整。

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  图(二)变压式功率调整

  先前有提到在量产中线圈与电容存在的误差需要被修正,修正的目的在于每一组生产出来的产品需要有一致的功率输出设定。参考图(三)所示,这是典型量产中产品的谐振曲线,有谐振点偏高与偏高的产品;在变频式的系统中,为了要始输充功率都合乎预期设定,当谐振点偏高(电容或电感值偏小)的组合中即提高中心工作频率使输出功率与设计目标相同,反之谐振点偏低时就反向操作,如图(三)中所示,变频系统拥有宽裕的修正容许空间。

解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术

  图(三)变频式谐振偏差修正

  另外一个修正谐振偏差的方式为变压式,参考图(四)所示利用改变驱动电压的方式进行,当谐振点偏高(电容或电感值偏小)时就降低驱动电压使功率输出降低到所设计的预定值,反之谐振点偏低时就反向操作。可以看出利用变压式的调整方式,修正容许空间相较于变频式较为狭窄,主要为改变电压的修正幅度没有改变频率方式的大,由于反应较缓所以也比较好控制调整幅度。

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  图(四)变压式谐振偏差修正

  在谐振系统中调整功率的方式另外还有改变线圈上的电感值或电容值的方法,但在实际量产上并不容易完成所以不被采用。在图(五)是无线充电联盟规格书中所提的两种控制发射线圈输出功率的方法,第一种是变频调整式,另一种则是变压调整式。

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  图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

  *图片来源wpc网站WirelessPOWERSpecificationPart1.pdf*固定驱动电压改变工作频率的功率调整方式

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  图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

  *图片来源wpc网站WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*改变驱动电压固定工作频率的功率调整方式

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  表1:分析这两种方式的优缺点

  由上表可看出,变频式的在性能上有优势,但在设计上有难度;在主控IC上的输出频率主要是由架构的PWM输出来完成,电磁感应式的操作频率约在100K ~200K Hz之间,需要输出上下缘各50%的方波来进行驱动可以得到较好的效能,而在高Q值的谐振线圈上频率调整范围需要到1K Hz以下;简单的来说设计的输出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的调整间隔进行变频,在这样的设定需求下低阶的微处理器无法完成这样的功能,另外变频控制下谐振反应敏锐,些微的频率改变会使功率大幅跳动,如何利用软件去控制此现象为谐振控制的技术核心。

  数据传输

  在电磁感应式电力系统中最重要的技术问题就是必需要能识别放置于发射线圈上的物体,感应电力就与烹调用的电磁炉一样会发射强大的电磁波能量,若直接将此能量打在金属上则会发热造成危险;为解决此问题各厂商发展可识别目标之技术,经过几年的发展确认藉由受电端接收线圈反馈讯号由供电端发射线圈接收讯号为最好的解决方式,为完成在感应线圈上数据传输的功能为系统中最重要的核心技术。在传送电力之感应线圈上要稳定传送数据非常困难,主要载波是用在大功率的电力传输,其会受到在电源使用中的各种干扰状况,另外先前也提到这是一个变频式的控制系统,所以主载波工作频率也不会固定。因为困难所以先前厂商推出的技术有除了感应线圈供应电力外,另外在建立一个无线通信频道,例如红外线、蓝芽、RFID标签、WiFi…等,但外加这些模块已经违背的成本原则,这个产品为充电器,成本一定要控制的相当低才可被市场所接受,所以利用感应线圈本身作数据传输为业界必采用的方式。

  利用感应电力之线圈进行数据传输会遇到两个问题,就是如何发送数据与如何接收数据,原理同RFID的数据传输方式,供电端线圈上发送主载波打到受电端线圈上,再由受电端电路上控制负载变化来进行反馈,在现行的感应电力设计中为单向传输,也就是电力能量(LC振荡主载波)由供电端发送到受电端,而受电端反馈资料码到供电端,而受电端收到供电端的能量只有强弱之分没有内含通讯成份,这个数据码传送的机制也只有受电端靠近后收到电力能量才能反馈,在供电端未提供能量的状况下并无法进行数据码传送,乍看来只是半套的通讯机制在感应电力系统中却非常实用,因为满足了系统所需要的功能:供电端辨识受电端后开启发送能量进行电力传输,受电端传回电力状况由供电端进行调整。

  参考图(六)中qi规格书中受电端接收电力与数据反馈架构,其中可以看到有两种设计架构,分别是电阻式与电容式两种。电阻式调制反馈讯号的方式源自被动式RFID技术,利用接收线圈阻抗切换反馈讯号到发射线圈进行读取,运用在感应式电力上由美国ACCESS BUSINESS GROUP(Fulton)所申请之美国专利公开号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM(台湾公开号201018042无线充电系统)内容中有提到系利用切换开关位于接收端整流器后方的负载电阻,即图(六)中的Rcm使线圈上的阻抗特性变化反馈到供电线圈上,经由供电线圈上的侦测电路进行解析变化,再有供电端上的处理器内软件进行译码动作。参考图(七)在专利说明书中,Fig.7中表示供电线圈上的讯号状况,当Rcm上的开关导通时,拉低受电线圈上的阻抗反馈到供电线圈上使其振幅变大,在编码的方式采用UART通讯方式中asynchronous serial format(异步串联格式)进行编码,即在固定的计时周期下该时间点是否有发生调制状态变化进行判读逻辑数据码,但这个编码方式可以发线将会有一段周期的时间持续在调制状态。参考图(八)为qi规格书中的数据传输格式,可以看到是由一个2KHz的计时频率进行数据调制与译码的数据传送频率,经由推算在一个调至状态下最长会有一个周期的时间在调制状态。UART通讯方式中调制状态的长短并没有影响到系统中的功能,但在感应式电力系统中调制状态会影响到供电的状态,原因是供电端的主载波本身是用来传送电力的,透过供电端与受电端线圈耦合的效果能传送强大的电流驱动力,而受电端的电阻负载需要承受驱动电流进行反馈,当功率加大后在Rcm上所承受的功率也会增加,且在调制期间原要通往受电端输出的电流也会被Rcm所分流,所以在调制期间受电端的输出能力会被损耗;另外调制的时间会因为传送频率提高而缩短,因为在感应式电源系统中主载波的工作频率受于组件与电磁干扰法规限制下只能在较低的频率下运作(约100~200KHz),而数据是靠主载波上的调制状态传送,所以数据传送频率需要远低于主载波频率下才能顺利运作,在前述条件的冲突下可以发现当感应电力系统设计的功率提高后,电阻负载的数据调制方式为不可行,因为在调制电路上的电阻器会有相当长的周期在导通的状态造成功率消耗。

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  图(六)qi规格书中受电端接收电力与数据反馈架构

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  图(七)美国专利公开号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM内容

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  图(八)qi规格书中数据传送格式

  前段所提当功率加大后因为受电端上的讯号调制用负载电阻需要吸收较大的电流会产生功率损耗问题所以较为不可行,且为了反馈讯号容易被辩识需要有较大的反馈量使线圈上有较大的调制深度,这个设计下需将使接收端上的负载电阻设定较低的阻抗用来吸收更多的能量产生反馈,在这个循环下要提升感应式电源供应器之可用功率将遇到瓶颈。所以有厂商提出另一个电容式讯号调制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申请之美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER(用于无线电力中的数据调制与解调方法),参考图(九)说明其内容所提的在先前设计在受电端产生调制反馈能量的负载电阻改成电容,其因为采用电容调制时会在供电端发射线圈上产生电流与电压相位差变化,所以可以利用分析此变化来进行译码;这样的设计可以不需要产生很大的调制深度即可达到反馈数据的目的,所以即使在较长的调制期间并不会消耗过多的能量。这个技术中需要在供电端上取出三个值进行分析:1.为供电线圈上的交流电压值2.为供电线圈上的交流电流值3.为驱动供电线圈的电源电流,其中电流值需要将供电线圈到接地端串连一个电感,量测电感两端的电压值来测定电流,而这三个数值的变化量都很微小,所以从供电线圈取回讯号后需要透过多重的放大电路进行解析,这部份也造成电路成本的提高,参考图(十)、(十一)中可以看到这两种讯号调制的方法所造成供电线圈上所发生的讯号变化。

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  图(九)美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER内容

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  图(十)ti规格书说明电组式讯号调制电路

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  图(十一)ti规格书说明电容式讯号调制电路

  前段所提到的技术中,在WPC qi规格中所定义为调制期间讯号与非调制期间讯号在供电线圈上产生的高低差需要大于电流差15m A、电压差200m V ,相较于送电期间在供电线圈上的主载波电压约在50V~100V之间,这个电压变化量相当小,也就是透过放大电路将微小的变化量当作反馈讯号处理。在实际应用时会发现,造成供电线圈上振幅与电流变化的原因不只是来自受电端的反馈讯号,另外在受电端输出的负载上产生变化时也会产生供电线圈上的电压与电流变化,而先前技术所运的的是缩小反馈深度使调制讯号造成的功率损耗降低,在实际应用上受电装置大多不是稳定的负载,市面的手持装置在充电时会有快速的电流汲取变动,而这样的变动下会使供电线圈上的电压与电流产生跳动,经过电路放大讯号后会变成数据码中的噪声,而这样的噪声会使讯号传送失效。参考图(十二)qi系统中的数据传送波型组图,这是取ti供电端bq500110EVM-688 Evaluation Module与受电端bq51013EVM-725 Evaluation Module量测到的波型,而这个套件是符合qi兼容性规范的产品,量测电RX反馈发送为bq51013EVM-725上讯号调制电容上的波型,当在调制期间会将电容接地使吸收能量使讯号变小,此时产生了反馈到供电线圈上,使TX发射线圈产生高低起伏。而COMM1与COMM2分别为透过OPA放大电路所解析出的电压与电流变化结果,转成数字讯号交由判读。传送数据的方式就是周期性的连续产生调制反馈,组合成数据框再经由微处理器判读数据内容,而传送的过程中若有遗失部份讯号就会使整个数据框失效。由波型图中可以看出这样的调制讯号会依负载的状况而变动,且在通讯中数据框需要一段长度才能送完,而在这个期间内发生的负载变动都会使数据传送失败,而在系统中供电端需要靠来自受电端的数据码确认装置存在才会持续送电,当数据传送机制失效时将会造成电力中断。

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  图(十二)qi系统中的数据传送波型图1

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  图(十二)qi系统中的数据传送波型图2

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  图(十二)qi系统中的数据传送波型图3

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  图(十二)qi系统中的数据传送波型图4

  前述的资料传送方法中,电阻反馈式利用较强的反馈讯号可以使讯号容易被辨识但会损耗较多的功率;电容反馈式利用细微的反馈变化损耗较少的功率却容易受到噪声干扰。这两个方式在提高传送供率的应用有所困难,另外有厂商Fu Da Tong Technology Co., Ltd申请之美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER(高功率感应式电源供应器中数据传输之方法),参考图(十三),其技术主要是将调制讯号的格式设计成非对称的数据传送,将调制反馈也就是消耗功率的时间缩短,利用较深的反馈讯号与噪声排除的软件控制方法可以在高功率系统中稳定的传送数据讯号,且在供电端的讯号解析部份不需要放大电路,可以降低生产成本。

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  图(十三)美国专利公开号20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容1

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  图(十三)美国专利公开号20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容2

 高效能功率传输

  要提高电磁感应式无线电力系统的电力传送效率与功率,最简单的方式就是选用高性能的电子组件,参考图(十四)典型的电磁感应式无线电力系统架构。在系统中有四个主要传送功率的损耗点(从供电端直流电源输入开始看):1.供电端的驱动组件,主要是电流通过MOSFET的损耗、2.供电与受电线圈与谐振电容通过电流的损耗、3.受电端整流器交流到直流的转换损耗、4.受电端稳压器转换损耗。由这四个损耗点可以看出供电端占了两项、受电端占了三项,过去的实验中发现在受电端的损耗是供电端的两倍以上,因此在传送电力过程中受电端温度升高会比供电端明显,这也是受电端上会比供电端来的困难的原因。刚所提及提高电力传输效能最容易的方法就是使用高性能的组件,但在量产品上是无法实行的,主要是充电器本身在市场的价位低所以在成本上有相当大的限制。除了前述的方法外,有一个好的解决方试,就是供电端只发送受电端所需要的功率,在受电端上收到过大的功率会提高整流器与稳压器的转换损失,而要完成这个功能就需要先将系统中的谐振控制与数据传送功能完成。

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  图(十四)典型电磁感应式无线电力系统架构

  一个高效能的感应式电力系统的运作,为受电端可以透过数据传送通知供电端目前所需要的功率,而供电端在透过谐振控制调整功率输出发送到受电端,而这个动作是需要快速的自动调整,所以在数据传送上需要非常稳定才能实现。所以感应式电力系统最重要的核心技术为数据传输的部份,也是目前各厂商积极研究改良的技术,这方面的技术还有很多困难点需要突破,笔者认为在数年内还会有相当大的进展。

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